中国科大在氧化物界面量子振荡起源研究方面取得重要进展

　　中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室在氧化物界面物理研究方面取得重要进展，该室量子电子学小组程光磊教授与合作者提出了二维氧化物界面量子振荡的一维起源，并完成了实验验证，相关工作发表在2018年2月14日的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 120, 076801 (2018)]。

 

　　氧化物界面是最近十五年兴起的新型材料系统，尤其是基于钛酸锶的二维电子系统具有超导、磁性、铁电、铁磁等诸多电子关联现象，是研究基础凝聚态物理问题的通用平台，也是未来十年最有可能实现技术突破的量子材料之一。在高迁移率的二维氧化物界面通常在外加磁场下会形成电阻的舒波尼克夫-哈尔斯量子振荡。类似于量子霍尔效应，这种电阻的量子振荡主要源于外磁场下朗道能级的布居数随磁场变化而导致的电阻变化，是探知材料电子密度、有效质量与能带等信息的有效实验手段。钛酸锶作为“氧化物中的硅材料”，其二维电子系统中的量子振荡被广为研究。然而在发表的近二十篇文章中，其量子振荡揭示的电子密度与传统霍尔效应测量有数量级差别。并且关于电子的有效质量、能带从属等问题众说纷纭，并无定论。因此，理解这些现象的本质对氧化物材料与器件应用至关重要。　

 

　　程光磊教授在国外工作期间，与美国匹兹堡大学Levy组共同发展了基于原子力显微镜的纳米器件制备技术。该技术利用原子力显微镜针尖为“画笔”，以氧化物界面为”画板“，可以”画“出诸如晶体管、二极管、纳米线、光与太赫兹波探测器、单电子晶体管、电子波导等一系列纳米器件。在本工作中，程光磊教授及其合作者思考氧化物界面量子振荡的成因，结合钛酸锶在温度低于105 K时的结构相变时产生的铁弹畴，提出钛酸锶电子系统的量子振荡来源于钛酸锶中铁弹畴畴壁上的一维弹道输运。为了验证这个理论，研究人员设计了一维弹道输运实验，利用原子力显微镜针尖制备电子波导，通过观察波导中电子所受的几何约束与磁约束的竞争关系推测出了电子密度与有效质量等关键参数。由于观测到了电导的精确量子化，因此所有输运电子都被实验有效检测到，不存在二维系统中存在的各种矛盾，从而论证了该理论的合理性。　

 

　　程光磊教授是该工作第一作者，中科院微观磁共振重点实验室是论文第一单位。程光磊为中国科学技术大学“青年创新人才计划”引进人才，长期从事氧化物纳米电子学研究。自2016年入职中国科大以来，程光磊领导其小组致力于打造量子纳米电子学实验室，研究新型氧化物量子材料中量子技术与凝聚态物理基础问题中的应用，已经取得系列重要进展。除本工作外，其关于调制氧化物单电子器件中电子-电子相互作用的成果发表在2016年12月1日的物理评论X [Physical Review X 6,041042(2016)]上，为全相位空间固体量子模拟奠定了基础。 

 

　　这项工作得到了中组部和教育部的支持。 

 

论文链接：

 

（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、量子创新研究院、科研部）